Автор: Хомидов Акбар Анварович
Возраст: 17 лет.
Место учёбы: МОУ СОШ № 31 г. Комсомольск-на-Амуре.
Город, регион: Россия, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре.
Руководитель: Помчалова Татьяна Андреевна, МОУ ДО "Центр внешкольной работы "Юность", педагог-организатор.

Воздушные змеи:
детские забавы или практическая аэронавтика?

План:

⦁ Введение.
⦁ История возникновения и применения воздушных змеев.
⦁ Виды воздушных змеев.
⦁ Почему и как летает воздушный змей?
⦁ Выводы.
⦁ Список использованной литературы.

Введение

Наверное, каждый житель нашей планеты, будь то взрослый или ребёнок, видел, делал или запускал воздушного змея. Но каждый воспринимает их по-разному, для одного человека это станет игрушкой на один день, для другого станет спортивным увлечением на всю жизнь, сподвигнет к рекордам или усовершенствованиям этой, казалось бы, на первый взгляд простой забавы.
Цель работы - изучить устройство и принципы работы воздушного змея, как летательного аппарата.

Задачи: 

• изучить историю возникновения воздушных змеев;
• выяснить виды и области их применения;
• выяснить, почему и как летает змей;
• сконструировать змей и испытать его.

История возникновения и применения воздушных змеев:

На сегодняшний день очень сложно установить, когда именно появился и кем был изобретен воздушный змей. Древнегреческие источники утверждают, что это произошло в IV веке до нашей эры и что честь их изобретения принадлежит Архитасу из Тарентума.

Но доподлинно известно, что в IV веке до нашей эры они уже парили в небе над Китаем. Принято считать, что первые китайские воздушные змеи были сделаны из дерева, бумаги, ткани, веток и листьев деревьев. Они строились в виде рыб, птиц, жуков, бабочек, раскрашивались в разные яркие цвета. Самой распространенной формой была фигура змея-дракона. Отсюда, возможно, и пошло название «воздушный змей», который стал героем множества народных легенд и сказок и по сей день часто встречается в литературе и мультипликации. Самые старые археологические находки насчитывают около 200 лет.

Долгие годы воздушный змей был универсальным изобретением, которое применялось в военном деле, научных исследованиях и работах, и конечно в качестве развлечения или обрядово-религиозного атрибута.

Применение змея в военных целях сводилось в первую очередь к измерению расстояния до вражеских объектов и устрашению врагов. На Руси в 906 году князь Олег при осаде Царь-града приказал сделать много воздушных змеев в виде всадников и пеших воинов, чтобы внушить ужас защитникам города: неприятели должны были с ужасом наблюдать, что на них с неба спускается несметное русское воинство.

А в 1066 году Вильгельм-завоеватель использовал воздушные змеи для передачи сигналов при покорении Англии. Например: зелёный воздушный змей означал «в атаку», красный – «отступаем» и т.п.
Также есть много упоминаний об использовании воздушных змеев в качестве измерителя расстояния до венных объектов врага, а в одной из старинных записей говорится, что в IX веке византийцы якобы поднимали на воздушном змее воина, который с высоты бросал в неприятельский стан зажигательные вещества.

В 1848 г. К.И. Константинов разработал систему спасения судов, терпящих бедствие вблизи берега, с помощью воздушных змеев.

Во время Первой мировой войны необходимость быстрой воздушной разведки на поле боя без привлечения дирижаблей или воздушных шаров — слишком легких мишеней для противника — заставила изобретателей нескольких стран начать эксперименты с воздушными змеями, подымающими в небо человека. Одна такая система, разработанная бостонским производителем Самуэлем Ф. Перкинсом, использовала ведущий воздушный змей для проверки ветровых условий, а затем дополнительные воздушные змеи, способные выдержать вес человека. Это давало возможность корректировать артиллерийский огонь и проводить разведки вражеских позиций. Воздушные змеи использовались и на фронтах Великой Отечественной войны, с их помощью наши бойцы разбрасывали листовки. 

Долгое время ученые не воспринимали воздушного змея всерьез. Хотя знаменитый физик и астроном Леонард Эйлер писал: “Воздушный змей, эта игрушка для детей, презираемая учеными, может, однако, заставить глубоко над собой задуматься”, и он оказался прав.

С середины XVIII века воздушный змей начинает активно применяться при научных работах.

В 1749 году шотландский астроном А. Вильсон поднял на змее термометр для измерения температуры воздуха на высоте. В 1752 году американский ученый В.Франклин произвел серию исследований атмосферного электричества, объяснивших молнию при грозе как электрический разряд огромной силы. Результатом его опытов стало изобретение громоотвода.

Воздушные змеи применялись для изучения электричества в атмосфере и великим русским ученым М.В.Ломоносовым и английским физиком И.Ньютоном. В 1753 году 26 июня Ломоносов запустил воздушный змей в грозу на бечевке, используя последнюю, как проводник. Эксперимент едва не стоил ему жизни, но его ждал успех - он извлек разряд статического электричества. Подобный эксперимент проводил и его последователю академик Рихман, однако опыт был неудачным и ученый был убит разрядом электричества.

Разрабатывая конструкцию первого в мире самолета, А.Ф.Можайский проверил на змее возможность полета человека на крыльях. В 1873 году он летал на змее, который буксировала тройка лошадей. Мысль о создании летательного аппарата тяжелее воздуха появилась у Можайского в 1855 г., когда он начал вести тщательные наблюдения за полетами птиц и экспериментальных полетов на воздушных змеях. Он стал первым в мире человеком, который летал подобным образом. В результате проведенных исследований Можайский в начале 1878 г. пришел к выводу, что можно использовать сопротивление воздуха для создания подъемной силы. По этому поводу он писал: "...для возможности парения в воздухе существует некоторое отношение между тяжестью, скоростью и величиной площади или плоскости, и, несомненно, то, что чем больше скорость движения, тем большую тяжесть может нести та же площадь". Формулировка одного из важнейших законов аэродинамики - о значении скорости для создания подъемной силы - дана Можайским за 11 лет до опубликования подобных работ Марея и Лилиенталя, которые пришли к тому же выводу только в 1889.

В 19 веке воздушные змеи также широко применялись для метеорологических наблюдений. В начале 20 века воздушные змеи внесли свою лепту в создание радио. А.С. Попов использовал змеи для подъема антенн на значительную высоту.

В настоящее время воздушные змеи также помогают метеорологам в изучении слоев атмосферы. А в Антарктиде наши ученые широко использовали змеи для изучения атмосферы до высоты примерно 1000 м. На змее можно укрепить не только барометр и термометр, но и фото- и видеоаппаратуру, впоследствии используя полученные данные для топографических карт. Использование воздушного змея в таких целях значительно выгоднее, проще и дешевле, чем привлекать тяжелую летную технику. Также радиолюбители и сейчас используют воздушного змея для получения устойчивого сигнала.

Большую ценность воздушный змей представляет в качестве религиозно-обрядового атрибута. Например в Японии в День мальчиков, который ежегодно проводится 5 мая, родители новорожденного сына пишут его имя на воздушном змее, украшенном изображением легендарного воина Усивакамару или мальчика – героя детской сказки Кинтаро, и запускают его в надежде, что их сын вырастет таким же сильным и здоровым.

Древние китайцы и японцы верили, что, запустив ввысь воздушного змея, исписанного сутрами и молитвами, а также изображениями божеств, они покажут небу своё уважение и почтение. Через туго натянутую ветром верёвку люди ощущали энергию единения человека и высших сил, просили богов оградить дом от злых сил, болезней и даровать богатый урожай.

Во многих религиях и странах можно встретить крылатых змеев. Змею Кукулькану поклонялись индейцы племени майя. Главное божество ацтеков — могучий Кецалькоатль являлся своему народу в облике пернатой змеи. В Древней Мексике его называли лучезарным богом. Внешне он сочетал в себе черты двух наиболее впечатляющих животных Мексики: гремучей змеи и птицы квезал. У ацтеков гремучая змея считалась символом урагана, а птица квезал — символом ветра. Соединенные воедино, они воплотились в образе Кецалькоатля — повелителя облаков. И конечно знаменитый на Руси Змей Горыныч, без которого не обходилось ни одной сказки.

Сейчас воздушный змей популярен именно как яркое и увлекательное развлечение, хотя имеющее достаточно официальную и серьёзную структуру.

В частности в городе Вэёфан располагается штаб-квартира международной ассоциации воздушного змея, и здесь же проходит международный фестиваль воздушного змея. Этот праздник проходит каждый год с 20 по 25 апреля. Энтузиасты воздушного змея со всего света съезжаются тысячами в город, чтобы поучаствовать в соревнованиях или просто полюбоваться волшебным и очень красочным зрелищем. В заключении соревновательной части проходит церемония награждения и объявляется «Король воздушных змеев». Неудивительно, что именно в этом городе устроен единственный в Китае музей, целиком посвященный истории создания и развития воздушного змея.

Говорят, что именно в городе Вэйфан в 1282 г. знаменитый итальянский путешественник и исследователь Марко Поло (1254 г. – 1324 г.) впервые увидел запускаемого человеком воздушного змея. Как следует из путевых записок Марко Поло в городе в то время существовала традиция проверять ветер перед тем, как запускать воздушного змея, чтобы понять, насколько удачным будет его путешествие.

Вернувшись в Италию, Марко Поло привез туда китайского воздушного змея, и вскоре благодаря Великому шелковому пути эта игрушка стала популярной во всей Европе. В музее Аэронавтики и космоса в городе Вашингтон в павильоне, посвященном истории полетов, на одном из стендов есть надпись, которая гласит: «Самыми первыми летательными аппаратами, созданными человеком были воздушный змей и ракета. Они были созданы в древнем Китае».

У воздушного змея есть и свой праздник. Ежегодно во второе воскресенье октября во всем мире празднуется Всемирный день воздушного змея.

Классификация воздушных змеев

Flat – плоские воздушные змеи. Образно представляют собой плоскую пластину прямоугольной или любой другой формы, к которой подвязан леер при помощи уздечки. Уздечка задает змею определенный угол атаки змея относительно ветра, что и вызывает подъемную силу. Все плоские змеи требуют наличие большого хвоста для поддержания устойчивого полета.
Bowed — категория воздушных змеев, с земли очень напоминающая плоских. Однако данный вид воздушных змеев является дальнейшим развитием плоских в плане устойчивости. Для придания устойчивости данные змеи имеют изгиб или излом в продольной оси, что как бы приподнимает концы крыла и создает v-образное крыло. Такое решение придает значительный запас устойчивости

1. Плоские воздушные змеи

Плоские змеи в плане могут выполняться во всевозможных формах, начиная от квадрата и заканчивая фантазией художника. Рассмотрим основные из них.

1.1 Прямоугольный воздушный змей является самым распространенным примером воздушных змеев из учебников, однако он мало отличается устойчивостью от своих "больших" собратьев. Змей имеет три планки: две из них служат диагоналями («крестом»), а третья находится вверху и скрепляет диагонали. По контуру будущего змея натягивают прочную нить, соединяющую все уголки, и наклеивают обтяжку из бумаги или ткани. Змей обязательно оснащается длинным и достаточно тяжелым хвостом для придания ему устойчивости в полете.

1.2 Ромбовидный змей. Каркас изготавливается в виде пересекающихся реек. Относится к категории bowed. Существует много схем для придания змею вогнутости, например использование центральной крестовины, где поперечные рейки идут под некоторым углом, или натягивание тетивы на поперечной рейке. При большой v-образности такому змею не нужен хвост, однако при значительном увеличении v-образности змей теряет в подъемной силе. Уздечка чаще всего подвязывается к продольной рейке в двух местах.

1.3 Воздушный змей Delta – змей, в плане напоминающий дельтакрыло. Каркас несколько сложнее, так как требуется не менее трех реек, которые жестко закреплены в виде треугольника (две консольные и одна поперечная). Особенность конструкции в том, что при полете давление ветра придает изгиб консольным рейкам и змей принимает v-образную форму. Дополнительную устойчивость придает так же купольность обшивки. При этом чем сильнее дует ветер, тем устойчивее ведет себя змей. Эту форму получили модели спортивных управляемых воздушных змеев. Возможность управления достигается использованием двухлеерной схемы. Оба леера пилот держит в руках. Изменяя натяжение лееров, добиваются управляемого полета.

1.4 Воздушный змей Роккаку - этот шестиугольный японский змей (отсюда его название) родом из средне японского региона Ниигата на побережье Японского моря. Имеет центральную рейку и две поперечных. Поперечным рейкам придается изогнутая форма (форма bowed), за счет этого змеи типа роккаку весьма устойчивы даже без хвостов.

1.5 Воздушный змей Bermuda– воздушный змей, как правило, шестигранной формы. Конструкция представляет собой несколько плоских реек, пересекающихся в центре. По периметру реек натянута тетива, придающая жесткость конструкции. Парус уже натягивается между рейками и тетивой. Требует наличие длинного хвоста.

2. Коробчатые воздушные змеи

Коробчатые змеи появились как результат развития плоских. Люди заметили, что вертикальные поверхности очень сильно влияют на стабильность полета змея. Так появился первый змей в виде коробки. Коробчатые змеи в большинстве своем не нуждаются в хвосте.

2.1 Коробчатый воздушный змей Ромбический - наиболее простой коробчатый змей, не сложен по устройству, устойчив в полёте и легко запускается. Основу его составляют четыре продольные рейки (лонжероны). Между ними вставлены две крестовины, каждая из которых состоит из двух реек-распорок. Обтяжка змея изготавливается из двух полосок бумаги или синтетической ткани. Таким образом, получаются две коробки — передняя и задняя.

2.2 Коробчатый змей Поттера - коробчатый воздушный змей, для увеличения подъемной силы имеет специальные открылки. Он состоит из четырех продольных реек (лонжеронов) и четырех парных поперечных реек-крестовин, двух коробок и двух открылков.

3. Бескаркасные воздушные змеи

К бескаркасным относятся змеи не имеющие жестких частей. Форму змей принимает, раздуваясь за счет набегающего потока воздуха. Отсюда два достоинства этих змеев - вероятность поломки при падении равна нулю и компактность при транспортировке. Второе преимущество позволяет изготавливать змеев очень больших размеров.

3.1 Бескаркасный змей Sled – это воздушный змей с не жестким каркасом. В полете его оболочка поддерживает форму за счет ветра, как бы надувается. Используются всего две продольные рейки, вшитые в оболочку, которые не соединяются между собой. Эти рейки поддерживают форму оболочки и не дают ей скомкаться. Змей такого типа довольно капризно себя ведет при порывистом ветре. Для устойчивого полета змею обязательно требуется длинный хвост.

3.2 Бескаркасный змей Sled foil– дальнейшее развитие змея предыдущей модели. В данной конструкции вообще нет жестких элементов. Жесткость куполу придают надуваемые набегающим потоком воздуха цилиндры. Создаваемого давления в сужающихся к задней кромке змея цилиндрах вполне достаточно, чтобы держать купол расправленным в полете. Однако у змея такой конструкции есть и недостатки, например купол может запросто скомкаться при затихании ветра и это приведет к падению змея, даже если ветер поднимется вновь, купол самостоятельно уже не может расправиться. Ему так же присущи определенные трудности с запуском. Но неоспоримое преимущество того, что змей невозможно поломать, позволило данной конструкции продолжить свое развитие.

3.3 Бескаркасный змей Super Sled foil – еще одно развитие "саней". Три надувные секции делают этот змей более устойчивым к сложениям. Так же позволяет изготовить этот змей значительных размеров и получить значительную тягу. Может быть использован для подъема предметов, в том числе фотоаппарата.

3.4 FlowForm – змей очень распространенной конструкции, так как является одним из самых устойчивых бескаркасных одно стропных воздушных змеев. При правильной проработке в ровный ветер может летать без хвоста. Однако в сильный и порывистый ветер использование хвоста все же рекомендуется. Змей очень часто используют для подъема предметов (Lifters), проведения аэрофотосъемки путем подъема фотокамеры (KAPing). Могут быть изготовлены действительно гигантских размеров, площадь в 3 кв.м считается самой обычной. Так же изготавливаются с большим количеством секций, шесть, восемь и даже больше. Для уменьшения лобового сопротивления змея, и как следствие, увеличения угла затяжки, на задней кромке есть отверстие, способствующее сквозному проходу воздуха сквозь змей - отличительная черта всех "Флоуформов".

3.5 Кайт Parafoil - особый подкласс бескаркасных воздушных змеев. Змеи данного типа изготавливаются из воздухонепроницаемой ткани с замкнутыми внутренними пространствами и воздухозаборником, обращённым в сторону набегающего потока. Воздух, проникая в воздухозаборное отверстие, создает внутри замкнутого пространства змея избыточное давление и надувает воздушный змей подобно воздушному шару. Однако конструкция змея такова, что надуваясь, змей принимает определённую аэродинамическую форму, которая способна создать подъемную силу змея. Существует много разновидностей змеев — парафойлов: одно стропные, двух стропные управляемые, четырёх стропные управляемые. Двух стропные в основном это пилотажные змеи, или кайты площадью до 3 кв.м. Четырёхстопные — это змеи достаточно большей площади от 4 кв.м, используемые в спорте в качестве двигательной силы (кайтинг).

Как и почему летает воздушный змей?

Воздушный змей является летательным аппаратам, который тяжелее воздуха. Главная причина подъёма и удержания его в воздухе – движение воздуха относительно змея. Скорость и направление ветра постоянно меняются. Любые строения и природные рельефы, включая деревья, могут отклонять ветер у поверхности земли от его горизонтального направления.

Принцип полета змея можно объяснить с помощью чертежа, на котором линия АВ изображает разрез плоского змея, а – угол к набегающему потоку ветра или горизонту. Рассмотрим, какие силы действуют на змей в полете. Плотная масса воздуха препятствует движению змея при взлете, следовательно, оказывает на него некоторое давление. Обозначим силу давления F1. Теперь построим параллелограмм сил и разложим силу F1 на две составляющие - F2 и F3. Сила F2 толкает змей на нас, а это значит, что при подъеме она снижает его первоначальную горизонтальную скорость. Следовательно, это сила сопротивления. Другая сила F3 увлекает змей вверх, это сила подъема.

Поднимая змей в воздух, мы как бы искусственно увеличиваем силу давления на поверхность змея, силу F1. Чем быстрее мы разбегаемся, тем больше увеличивается эта сила. Но сила F1 раскладывается на две составляющие: F2 и F3. Масса воздушного змея постоянна, а действию силы F2 препятствует леер, следовательно увеличивается подъемная сила – и воздушный змей взлетает. Известно, что скорость ветра с высотой возрастает, ведь чем выше от земли, тем меньше предметов, которые препятствовали бы его движению. Вот почему при запуске стараются поднять змей на такую высоту, где ветер мог бы его поддержать.

Скорость ветра возрастает с высотой, вот почему при запуске воздушного змея стараются поднять его на такую высоту, где ветер мог бы поддерживать модель в одной точке. Сила сопротивления – создается движением воздуха, который обтекает воздушного змея. Подъемная сила – это часть сопротивления, которая превращается в силу, направленную вверх. Сила притяжения обусловлена массой змея и приложена в точке, которую называют центром тяжести. Движущая сила имеется за счёт леера, действующего как мотор. Змей полетит, если линии действия всех этих сил пересекутся в центре тяжести. Иначе полет змея будет нестабильным. Чтобы выдержать эти требования, поверхность змея должна быть наклонена по отношению к ветру под правильным углом.

Продольная устойчивость змея обеспечивается хвостом или формой аэродинамической поверхности, поперечная – килевыми плоскостями, устанавливаемыми параллельно лееру, или изогнутостью и симметричностью аэродинамической поверхности. При изготовлении змеев об этих факторах не следует забывать. Устойчивость полета змея зависит также от положения центра тяжести воздушного змея. Хвост смещает центр тяжести воздушного змея вниз и тормозит колебания змея, если ветер порывистый, неровный.

Воздушные змеи являются очень интересным и популярным занятием, в этом году МОУ ДО «ЦВР «Юность» в нашем Комсомольске-на-Амуре проводил в рамках пришкольного лагеря фестиваль воздушных змеев, дети могли принести свои змеи, купленные в магазине или сделанные самостоятельно, и для все желающих нами были проведены мастер-классы по созданию разных моделей из разных материалов, также привлекли городской парашютный клуб, для демонстрации их имущества, в частности круглых купольных систем и парашюта типа «крыло».

Вывод

В ходе работы были сформулированы следующие выводы:

История воздушного змея уходит своими корнями в глубокую древность, и, возможно, мы так и не узнаем её полностью. Но из тех знаний, которые мы имеем можно полагать, что за века своего существования 
воздушные змеи изготавливались из различных материалов и имели различные формы, применялись во многих областях науки и военного дела, использовались в различных обрядах, играют большую роли в традициях Китая, Японии и многих других стран и по сей день.

На сегодня воздушный змей, в основном, является детской игрушкой, но так же помогает понять основные принципы полета летательных аппаратов, основ аэронавтики. Если вы хотите привить ребенку любовь к физике, то можно с уверенностью начать с изучения и изготовления воздушных змеев. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что такая детская забава, как воздушный змей, является, прежде всего, примером практической аэронавтики.

Список использованной литературы

Ермаков А.М. Простейшие авиамодели: Книга для учащихся 5-8 классов. — М.: Просвещение, 1984. — 160 с.: ил.

Заворотов В.А. От идеи до модели: Книга для учащихся 4-8 классов.- М., Просвещение , 1988.- 160 с.: ил. — (Сделай сам).

Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга первая.-М.: Наука, 1976. – 224с.:ил.

prokite.ru/kites/tipyi-vozdushnyih-zmeev/

www.kite.ru/news/kitestaff/the-kite-story.php